自热式固体热载体煤气化特性实验研究

摘要

21世纪能源危机必定成为全球关注的焦点，经济与科技的发展都要以能源供应为基础。作为最大的发展中国家，我国正处于飞速发展阶段，其对能源的需求更为迫切。面对现今的能源危机与环境污染压力，唯有做好以下两方面工作，才可维持经济与科技的高速发展:一是煤炭资源的充分合理利用。伴随着石油和天然气两大能源的枯竭，煤气化技术成为当今新旧能源交接段的能源缓冲剂。煤气化的发展直接影响到整个能源过渡时期的稳定性，是当今世界能源形式转变的桥梁和枢纽。二是余热余能的有效回收利用。其中钢铁行业的余热余能的回收前景最为广阔，我国每年的钢铁产量已稳居世界第一，而这背后必将产生大量的余热资源，高炉渣余热就是其中的重要组成部分。笔者结合本国国情及当今世界的能源发展趋势，提出了利用高炉渣余热进行煤气化的实验方案，这一方案既可达到煤炭资源的充分利用，又能够有效回收高炉渣的余热余能。
　　本文以固态高炉渣为热载体对粉煤气化特性进行了实验研究，旨在获得高炉渣参与下的粉煤气化反应规律与特性，从而为将来的工业化生产提供指导依据。其主要研究内容如下:
　　(1)根据固态炉渣及粉煤的物理化学特性，拟采用固定床热载体煤气化系统对不同煤种进行气化实验研究。这一实验方案可降低对实验设备的要求，操作控制相对简单，
　　在实验室范围内具有较强的可行性与可操作性。同时又可利用高炉渣作为热载体与粉煤进行快速传热，从而达到瞬间热解气化的目的。
　　(2)通过综合热分析仪采用程序升温法研究了不同质量配比下的高炉渣与粉煤混合物在不同工况下的反应情况，对比研究了不同渣煤比、煤种、气化反应速率对粉煤气化初温及化学反应性能的影响规律。研究结果表明:高炉渣对粉煤气化具有催化作用;渣煤比为3∶1时催化效果最佳;升温速率的提高有利于煤焦气化反应的进行。
　　(3)采用Li Chung-Hsiung积分法对综合热分析仪所得数据进行动力学相关分析和计算，通过线性拟合的方法在21种现有气固反应机理模型中寻找不同工况下的最适反应机理函数，其中A5即随机核化长大(n=4)模型对不同工况下的气化反应机理具有普遍的适用性。利用Satava-Sestak积分法计算得到相应工况下的反应活化能与指前因子，其中升温速率的提高会降低反应活化能与指前因子，而高炉渣的加入对其影响规律不统一。在求得高炉渣热载体煤气化反应动力学方程基础上，发现活化能与指前因子之间存在着补偿效应。
　　(4)通过自行搭建的固定床热载体煤气化反应装置，研究了煤种、粉煤粒度、反应温度及气化剂流量对气化反应活性的影响规律，得到如下结论:利用高炉渣为热载体的粉煤气化技术对煤种具有广泛的适应性。反应温度为1100℃时，即使较劣质的沈南煤与阜新煤也可达到80％以上的转化率和8000KJ/m3的煤气热值;高炉渣作为热载体不但解决了热量来源问题，还可对气化反应产生催化作用;实验中当反应温度升至1100℃时各项反应指标最佳，进一步升温会导致高炉渣产生一定的粘结性，不利于固定床气化的传热传质;本实验系统对粉煤粒度具有很强的适应性，实验中采用的80-100目范围内的粉煤气化特性均可达到较高水平;当气化剂流量在0.35m3/h左右时，各项气化指标最优;在高炉渣参与下，气化产物中几乎没有CH4的生成，使得煤气中可燃成分仅为CO与H2，这对产气在化工领域的应用是极其有益的。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 引言

1．2 煤气化的发展及原理

1．2．1 煤气化发展史

1．2．2 煤气化工艺的分类

1．2．3 煤气化原理

1．3 固体热载体煤气化技术

1．3．1 固体热载体的分类

1．3．2 热载体煤气化工艺研究现状

1．3．2 固态高炉渣为热载体的煤气化工艺

1．4 煤气化动力学研究方法

1．4．1 动力学数据的获得

1．4．2 煤气化反应动力学模型分类

1．4．3 煤气化反应动力学分析方法

1．5 本文的主要研究内容、目的及意义

1．5．1 本文研究内容及目的

1．5．2 本文的研究路线

1．5．3 本文的研究意义

第2章 固态高炉渣与煤粉混合气化反应特性的热重实验研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验样品的制备与分析

2．2．2 固态高炉渣与煤粉的混合方法及步骤

2．2．3 热分析实验程序设定

2．2．4 内外扩散影响消除实验

2．2．5 热分析实验的误差来源及实验工况

2．2．6 煤粉气化热重实验数据的处理方法

2．3 煤粉气化热重实验结果及分析

2．3．1 程序升温法测定气化反应初温

2．3．2 煤种对气化反应特性的影响

2．3．3 高炉渣与煤粉不同质量比混合对气化反应特性的影响

2．3．4 不同升温速率对气化反应特性的影响

2．4 本章小结

第3章 粉煤担载固态高炉渣下的气化反应动力学机理模型

3．1 引言

3．2 担载高炉渣下粉煤气化反应机理函数的建立

3．2．1 选择动力学模型的注意事项

3．2．2 热分析动力学的数据处理方法

3．2．3 动力学模式函数的选择方法

3．3 固态高炉渣热载体的粉煤气化动力学参数的求解

3．4 固态高炉渣热载体煤气化反应动力学方程的求解

3．5 固态高炉渣热载体粉煤气化反应动力学参数的补偿效应

3．6 本章小结

第4章 固态高炉渣煤气化热态实验研究

4．1 实验仪器与设备

4．2 实验原料的制备和分析

4．2．1 煤粉的制备与分析

4．2．2 固态高炉渣的选取与分析

4．3 固态高炉渣煤气化系统实验台设计

4．3．1 给料系统

4．3．2 产气成分分析系统

4．4 实验操作过程

4．5 实验工况

4．6 气化剂流量的校正

4．7 实验的考察指标

4．8 固态高炉渣煤气化系统反应特性的研究

4．8．1 煤种对热载体气化反应的影响

4．8．2 煤粉粒度对热载体气化反应的影响

4．8．3 气化反应温度对热载体气化反应的影响

4．8．4 气化剂流量对热载体气化反应的影响

4．9 本章小结

第5章 结论

5．1 本文主要结论

5．2 工作优化建议

参考文献

致谢